Мини-суперкомпьютер

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 17:24, 11 января 2019.

Мини-суперкомпьютеры – один из классов компьютеров, который появивился в начале 80-х годов прошлого века. Представляет собой миниатюрную менее мощную и дешевую версию обычного суперкомпьютера. С момента своего появления использовались как альтернатива суперкомпьютерам с низким ценником, однако долго этот класс не просуществовал и был изжит другими более эффективными решениями.

Рисунок 1 - Модуль BitScope Cluster содержит 150 мини-компьютеров Raspberry Pi с интегрированными сетевыми коммутаторами. Фото: BitScope

В настоящее время основной целью производства такого рода компьютеров является предоставление дешевой альтернативы суперкомпьютерам, например, для тестирования софта в многопроцессорной среде.

История

В начале 1980-х годов становилось популярным использование векторных процессоров для научных расчётов, и как следствие, необходимость в менее дорогих системах создала удачную возможность для появления новых производителей на рынке.

Цена этих малых компьютеров составляла 1/10 от цены больших суперкомпьютеров, то есть не больше 1 000 000 долларов за машину. Эти компьютерные системы характеризовались комбинированием векторной и многопроцессорной обработкой данных.

Появление ещё более дешёвых научных рабочих станций на основе КМОП-микропроцессоров с высокопроизводительными блоками вычислений с плавающей точкой (FPU) в 1990-х годах (таких как MIPS R8000 и IBM POWER2) ослабила спрос на этот класс компьютеров.

Рисунок 2 - Суперкомпьютер Trinity в Лос-Аламосской национальной лаборатории

В настоящее время класс таких компьютеров может быть использован для тестирования работы программ, предназначенных для работы на реальных суперкомпьютерах, чтобы оценить, насколько стабильно и эффективно она будет работать в реальных условиях.[Источник 1]

Применение

Программисты и учёные не всегда имеют свободный доступ к настоящему высокопроизводительному суперкомпьютеру. Тем более что суперкомпьютеры обычно и так заняты 24 часа в сутки другим софтом. Трудно найти окно. Нужно заранее писать заявку и становиться в очередь.

Решение на базе Raspberry Pi

В помощь разработчикам по заказу Отдела высокопроизводительных вычислений Лос-Аламосской национальной лаборатории австралийская компания BitScope разработала «тестовые» вычислительные модули BitScope Cluster из 150 мини-компьютеров Raspberry Pi, которые можно объединять в кластер и проверять на них свои программы.

Рисунок 3 - Cluster Pack

В Лос-Аламосской национальной лаборатории работает один из десяти самых мощных суперкомпьютеров мира — Trinity (см. рис. 2).

Руководство лаборатории поставило задачу найти способ, как дать разработчикам доступ к высокопроизводительным параллельным вычислениям без реального доступа к самому суперкомпьютеру, чтобы они могли протестировать свои программы.

«Модули Raspberry Pi дают возможность разработчикам выяснить, как писать такое программное обеспечение и заставить его надёжно работать без необходимости иметь испытательный стенд такого же размера стоимостью четверть миллиарда долларов и потребляющий 25 мегаватт электричества», — говорит Гэри Глайдер (Gary Glider) из Лос-Аламосской национальной лаборатории.

Рисунок 4 - Так выглядит вблизи один ряд мини-компьютеров в Cluster Pack

В самом деле, 25 мегаватт электричества на испытание своей программки — это слишком (здесь ещё не учтены расходы энергии на охлаждение, которые в несколько раз превышают энергопотребление самой вычислительной системы).

В каждом модуле 144 активных узла, шесть запасных и один управляющий узел. Модуль имеет формат 6U при установке в серверную стойку дата-центра. Как сообщается на официальном сайте, кластер из 1000 узлов занимает стойку 42U обойдётся по цене примерно $120-150 за узел. Это довольно большая наценка по сравнению со стандартной ценой Raspberry Pi 3, которая составляет, как известно, $35.

Каждый модуль BitScope Cluster состоит из строительных блоков — так называемых «кластерных пакетов» (Cluster Pack). Установка в стойки по одному юниту происходит именно в виде этих «пакетов» (см. рис. 3).

Один узел (мини-компьютер Raspberry Pi 3) содержит 64-битный четырёхядерный процессор ARMv8 на частоте 1,2 ГГц. Таким образом, если представить кластер, например, из пяти модулей, то там будет 720 активных узлов, то есть 2880 активных процессорных ядер. Вполне достаточно для тестирования, насколько хорошо распараллеливается программа (см. рис. 4).

Хотя такое решение действительно намного дешевле суперкомпьютера, но всё-таки бюджетным его тоже не назовёшь. Позволить себе мини-кластер за $100 тыс. или $150 тыс. чисто для испытания программ может только крупная исследовательская организация. Собственно, такие модули и рассчитаны, наверное, на эти богатые организации — владельцев суперкомпьютеров. Тем не менее, создатели мини-суперкомпьютера говорят, что это «самое экономически эффективное в мире масштабируемое решение: оно недорого в сборке, управлении и поддержке».

Модули BitScope Cluster дают и заметную экономию в энергопотреблении. Можете рассчитать сами энергопотребление каждого из них, считая по 5 Вт на один узел. Если считать, что у запасных узлов энергопотребление минимальное, то в модулей остаётся 144 активных и один управляющий узел. Всего 145×5=725 Вт.

По мнению компании, кроме разработки программного обеспечения, подобные кластеры могут быть полезны как симуляторы сенсорных сетей, в исследованиях высокопроизводительных сетей и Интернета вещей.

Cray J90

Рисунок 5 - Cray J916

Cray J90 (кодовое название Jedi) была векторным мини-суперкомпьютером с активным воздушным охлаждением, первый выпуск которого состоялся в 1994 году компанией Cray Research. J90 произошел от мини-суперкомпьютера Cray Y-MP EL и был совместим с программным обеспечением Y-MP, работающим на той же операционной системы UNICOS. J90 ​​поддерживал до 32 процессоров CMOS с тактовой частотой 10 нс (100 МГц). Он поддерживал до 4 ГБ основной памяти и пропускную способность до 48 ГБ/с, что давало ему значительно меньшую производительность, чем современный Cray T90, но делала его серьезным конкурентом других компьютеров в таком ценовом диапазоне. Все входные/выходные данные в системе J90 обрабатывались IOS (подсистемой ввода/вывода) под названием IOS Model V. IOS-V был основан на шинах VME64 и процессорах ввода/вывода SPARC (IOP), работающих под управлением ОС VxWorks. IOS была запрограммирована на эмуляцию модели EOS IOS, используемой в больших системах Cray Y-MP, чтобы свести к минимуму изменения в операционной системе UNICOS. Используя стандартные платы VME, можно было применять широкий ассортимент стандартной периферии.

J90 ​​был доступен в трех основных конфигурациях: J98 до восьми процессоров, J916 с 16 процессорами и J932 с 32 процессорами.

Каждый процессор J90 состоял из двух чипов - один для скалярной части процессора, а другой для векторной. Скалярный чип также отличался наличием небольшого (128 слов) кэша данных для повышения скалярной производительности. Машины Cray всегда имели кэширование команд.

В 1997 году появилась серия J90se (Scalar Enhanced), которая удвоила скалярную скорость процессоров до 200 МГц; векторный чип оставался на частоте 100 МГц. Также была добавлена ​​поддержка системы ввода-вывода GigaRing, появившейся в Cray T3E и Cray SV1, заменив IOS-V. Позже, процессоры SV1 установилась в J90 или J90se, что еще больше увеличивало производительность в одном и том же фрейме.[Источник 2]

Производители мини-суперкомпьютеров

Производством мини-суперкомпьютеров занимались примерно 30 компаний, большая часть которых располагалась в США. Вот лишь некоторые из них:

  • Ametek
  • Alliant Computer Systems (основана в 1982 году под названием Dataflow Systems; обанкротилась в 1992 году)
  • American Supercomputer (основана Майклом Флинном, обанкротилась)
  • BBN Technologies (куплена компанией Raytheon в 2009 году)
  • Convex Computer (основана в 1982 году под названием Parsec; куплена компанией Hewlett-Packard в 1995 году)
  • Cydrome (основана в 1984 году под названием Axiom Systems; закрылась в 1988 году)
  • DEC (VAX 9000) (куплена компанией HP в 2002 году)
  • Elxsi (основана в 1979 году, в 1989 году вышла из компьютерного бизнеса)
  • Encore Computer (основана в 1983 году; в 1988 году куплена компанией Systems Engineering Laboratories)
  • Floating Point Systems (основана в 1970 году; куплена компанией Cray Research в 1991 году)
  • MasPar (основана в 1987 году; прекратила существование в 1996 году)
  • Meiko Scientific (основана в 1985 году в Великобритании; прекратила существование в 1991 году)
  • Multiflow Computer (основана в 1984 году; прекратила деятельность в 1990 году) — продавала мини-суперкомпьютеры на основе VLIW-архитектуры
  • Pyramid Technology (основана в 1981 году; куплена компанией Siemens в 1995 году)
  • Scientific Computer Systems (основана в 1983 году; в 1989 году переключилась на разработку высокоскоростного сетевого оборудования; ныне не существует)
  • Supertek Computers (основана в 1985 году; куплена компанией Cray Research в 1990 году) — продавала мини-аналоги суперкомпьютеров Cray на КПОМ-логике
  • Thinking Machines Corporation (основана в 1983 году; куплена компанией Sun Microsystems в 1994 году)[Источник 3]

Источники

  1. Мини-суперкомпьютер: 1000 Raspberry Pi объединили в кластер // habr [2006–2018]. Дата изменения: 28.11.2017. URL: https://habr.com/post/408695/ (Дата обращения: 17.11.2018).
  2. Cray J90 // Wikipedia [2001–2018]. Дата изменения: 06.07.2017. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Cray_J90 (Дата обращения: 17.11.2018).
  3. Мини-суперкомпьютер // Википедия [2002–2018]. Дата изменения: 19.06.2018. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Мини-суперкомпьютер (Дата обращения: 17.11.2018).